Internet - Universität Paderborn

Kapitel 8
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
Das Internet: Geschichte
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
z 1969: ARPANET, das erste Rechernetz entsteht als militŠrisches
Projekt, finanziert durch die Advanced Research Project Agency
z 1974: TCP/IP wird als neue Kommunikationssoftware entwickelt
z 1983: TCP/IP wird als offzielles Protokoll festgelegt
Internet
z 1984: Die National Science Foundation NSF baut auf der ARPANETTechnologie auf und begrŸndet das NSFNET als zivile Variante
des ARPANET fŸr UniversitŠten und Forschungsinstitute
z ab 1985: Auf der Grundlage von TCP/IP werden weitere unabhŠngige
Rechnernetze zusammengeschaltet. Das Internet unterstŸtzt
x Email
x News
x Remote Login
x FTP
z 1991 Durch das Hypertext-Protokoll http entsteht das World Wide
Web und fŸhrt zu einem exponentiellen Anstieg der Nutzung
auch durch Firmen und Privatleute
8-1
Internetwachstum
8-2
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
8-3
Internetwachstum
Technische Informatik
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8-4
Internet-Verkehr (visualisiert)
ISO-OSI-Referenzmodell
Technische Informatik
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Technische Informatik
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z
Die ISO (International Standardization Organization) hat die Aufgaben, die beim
Transport von Daten zwischen Rechnern anfallen, in einem Schichtenmodell dargestellt
z
Unter dem Namen OSI (Open System Interconnection) dient es als Referenzmodell fŸr
die Datenkommunikation.
z
Jede Schicht erbringt einen speziellen Dienst, d.h. sie bietet an ihrer Schnittstelle (nach
oben) bestimmte Funktionen an.
z
Zu diesem Zweck kommunizieren Instanzen einer Schicht mit Partnerinstanzen
derselben Schicht auf anderen Rechnern.
z
Die Spielregeln dieser Kommunikation sind in einem Protokoll zusammengefasst.
z
Um mit den Partnerinstanzen derselben Schicht zu kommunizieren, muss jedoch auf die
Funktionen der darunterliegenden Schicht zurŸckgegriffen werden.
Schicht i+1
Protokoll
Schicht i
Schicht i-1
8-5
8-6
Protokollschichten: Analogie
Regierungschef
Meinungsaustausch
Technische Informatik
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Regierungschef
Schichten des OSI-Referenzmodells
Technische Informatik
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Anwendungsschicht
Anwendungsprotokoll
Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Darstellungsprotokoll
Darstellungsschicht
Sitzungsprotokoll
Dolmetscher
Sprache A, Sprache B, Sprache X.
Dolmetscher
Telegramm, Fax, Kurier, etc.
Technische
Abteilung
Sitzungsschicht
Transportschicht
Technische
Abteilung
Land B
Land A
8-7
Sitzungsschicht
Transportprotokoll
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Vermittlungsschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
8-8
Vermittlungsschicht
Nachrichtaufbau
Technische Informatik
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BitŸbertragungschicht (Schicht 1)
Technische Informatik
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z †bertragungsmedium
Jede Schicht fügt einen eigenen Kopfeintrag hinzu
Nachricht
y
Elektrische Leitung
y
FunkŠther
y
Glasfaser
z Parallel/SerienŸbertragung
Kopf der Anwendungsschicht
z Synchronisation
Kopf der Darstellungsschicht
z Codierung
z †bertragungsverfahren
Kopf der Sitzungsschicht
y
Direkt (Basisband)
Kopf der Transportschicht
y
Moduliert (Frequenz, Amplitude, Phase)
z Gemeinsame Nutzung von Medien
Kopf der Vermittlungsschicht
Kopf der Sicherungsschicht
8-9
y
Zeitmultiplex
y
Frequenzmultiplex
8-10
Rechnerkommunikation
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Sicherungsschicht (Schicht 2)
z Aufbrechen des Bitstroms in ÒHŠppchenÓ (Framing)
z ErgŠnzen von PrŸfdaten (Parity-Bits, CRC-PrŸfsummen)
D, 3, " auf"
z NeuŸbertragung bei Fehler oder Verlust (Quittungen)
B
A
z Umgang mit Verlust von Quittungen
z Flusskontrolle (Verhindern von PufferŸberlauf)
Q, 2
z Duplexbetrieb (†bertragung in beide Richtungen)
Der Mond ist aufgegangen
Der Mond ist
z Zugangsregelung bei gemeinsamen Medium (z.B. Ethernet,
Funknetze)
z LŠngere Nachrichten werden in kleinere Pakete zerlegt.
z Pakete kšnnen verfŠlscht werden: Verwendung von PrŸfsummen z.B.
Die Einsen im Paket werden auf eine gerade Zahl ergŠnzt (ParitŠtsbit)
z Pakete kšnnen verloren gehen: FŸr jedes korrekt empfangene Paket
wird eine Quittung zurŸckgeschickt
8-11
8-12
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
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Rechnernetze
Technische Informatik
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ga"
D,
"ge
5,
C
D,
2,
Netzwerkschicht (IP, Schicht 3)
Technische Informatik
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z Verbindungsart
"Mo
y Verbindungslos (datagram)
nd"
x Nachrichtenpakete enthalten Zieladresse und werden unabhŠngig voneinander
verschickt
D, 4, " ist"
D
A
y Verbindungsorientiert
x Eine feste Verbindung vom Sender zum EmpfŠnger wird durchgeschaltet.
Der
Der Mond ist aufgegangen
B
y Adaptiv / Nichtadaptiv
"
3,
D,
z Wegewahl (Routing)
uf
" a
y Auf kŸrzesten Wegen / auch auf Umwegen
Der Datentransport verlŠuft Ÿber Zwischenknoten, d.h.:
z Routing (Wegewahl)
z Zwischenknoten mŸssen Pakete zwischenspeichern (Òstore-and-forwardÓ)
z Pakete kšnnen unabhŠngig voneinander versendet werden (unterschiedliche
Wege)
z Pakete kšnnen sich Ÿberholen (Reihenfolge wiederherstellen)
z Der EmpfŠnger muss die Pakete in dem Liefertempo auch abnehmen kšnnen
(Flusskontrolle)
y Verklemmungsfrei / Nicht verklemmungsfrei
y Nutzung paralleler Pfade
z Verbindung von Teilnetzen (Internetworking)
z Staukontrolle
8-13
Schichten 4 (TCP) und 5
Transportschicht (OSI-Schicht 4)
8-14
Technische Informatik
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Schichten 6 + 7
Technische Informatik
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Darstellungsschicht (OSI-Schicht 6)
z Struktur der Nachrichten
z Verbindungsaufbau/-abbau
z Aufbrechen der Nachricht in Datenpakete
z Datenformate und -reprŠsentation (ASCII/ EBCDIC, Reihenfolge der
Bytes,...)
z Wiederherstellen der Paketreihenfolge
z Ende-zu-Ende Flusskontrolle
z Mehrfachnutzung von Verbindungen
Sitzungsschicht (Kommunikationsteuerung) (OSI-Schicht 5)
Synchronisation zur Dialogsteuerung
8-15
Anwendungsschicht (OSI-Schicht 7)
z Sammlung typischer Anwendungsfunktionen in Netzen, z.B.
y
World Wide Web
y
Dateitransfer (FTP)
y
Remote Login
y
E-mail
y
Namens- und Katalogdienste
8-16
†berblick Ÿber gŠngige Protokolle
xOSI-Schicht
7 Anwendung
6 Darstellung
5 Sitzung
4 Transport
3 Vermittlung
2 Sicherung
1 BitŸbertragung
Beispiel
HTTP
FTP
NNTP
Telnet
X.400, SMTP
X.500
XDR
ASN.1
TCP
UDP
X.25
IP
Ethernet
Token-Ring
FDDI
ATM
RS-232
ISDN
Technische Informatik
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Eigenschaften / Einsatz
World Wide Web
Dateitransfer
News
Remote Login
E-Mail
Katalogdienst
Sun-spezifisch
Internat. Standard
Verbindunsgorientiert
Verbindungslos
Verbindungsorientiert
Verbindungslos
10Mbit/sec
4 / 16 Mbit/sec
100 Mbit/sec
Ÿber 100 Mbit/sec
serieller Anschluss
Telefon / Fax / Daten
Internet-Namensstruktur
Länderkennungen
Top-Level Domains
int
com
ibm
watson
edu
gov
stanford
mil
acm
org
net
ieee
fr
it
uk
...
uni-paderborn
stargate
ikarus
y Das Internet benutzt eine hierarchische Namensstruktur zur
Kennzeichnung der angeschlossenen Rechner.
y Jeder vollstŠndige Name (z.B. ikarus.uni-paderborn.de) besteht aus dem
eigentlichen Namen (ikarus) und einer Folge von Domain-Namen
abgetrennt durch Punkte (uni-paderborn.de).
y Domain-Namen kšnnen kŠuflich erworben werden
8-18
Technische Informatik
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Programmsysteme fŸr E-mail bestehen aus zwei Sorten von Komponenten:
y
Mail-Client-Software:
x Editor zum Schreiben oder Zusammensetzen einer Nachricht
x Programm zum Verwalten von ein- und ausgehender Post
x Programme zum Senden von Nachrichten und zum Lesen eingegangener Post
y
de
sni
cs
8-17
E-mail
Technische Informatik
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Mail-Protokolle
Technische Informatik
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Mailserver (mail.upb.de)
E-Mail an [email protected]
SMTP
Mail-Server-Software:
x zum Empfangen und Weiterleiten von Nachrichten
x (Protokoll: SMTP = simple mail transfer protocol)
Internet
POP3
IMAP4
y Adressiert wird im Internet mit Hilfe der DNS-Adressen von der Art
user@host, wobei
x user
x @
x host
der Benutzername (user-id) des Senders oder EmpfŠnger ist
ein Sonderzeichen ist, das ÒatÓ bedeutet
die Internet-Domain des Rechners ist, Ÿber den der Benutzer seine
Email abwickelt
x Beispiele:
[email protected]
[email protected]
x Hinter einer Email-Adresse kann sich auch eine ganze Adressliste verbergen,
so dass eine Nachricht durch den empfangenden Mail-Server an alle Adressen
der Liste verschickt wird. Beispiel: [email protected]
8-19
Absender
EmpfŠnger (mac26.upb.de)
(z.B.Eudora,
Netscape Messenger,
MS Outlook)
(z.B.Eudora,
Netscape Messenger,
MS Outlook)
8-20
E-mail
Technische Informatik
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Eine Email-Nachricht besteht aus
y
einem Umschlag (envelope)
y
einem Kopf (header)
y
und der eigentlichen Nachricht (body)
Technische Informatik
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z Den grš§ten Wachstumsschub erhielt das Internet seit ca. 1994 durch
eine weitere Anwendung: Hypertextdokumente, die das World Wide
Web bilden.
Typische EintrŠge im Kopf:
y To:
Email-Adresse der EmpfŠngers (kšnnen auch mehrere sein)
y Cc:
Email-Adressen derjenigen, die eine Kopie der Nachricht erhalten
(Carbon copy)
y Bcc:
Wie Cc, nur dass dieses Feld bei den EmpfŠngern in To: und Cc: leer
bleibt (Blind cc)
y From:
Adresse desjenigen, der die Nachricht erzeugt hat
y Sender:
Adresse desjenigen, der die Nachricht tatsŠchlich verschickt hat
y Received:
Je eine Zeile, fŸr jeden Mail-Transfer-Server entlang der Route
y Date:
Datum und Zeit des Absendens
y Subject:
Kurze Zusammenfassung des Inhalts (eine Zeile)
y Reply-To:
Email-Adresse, an die eventuelle Antworten geschickt werden sollen.
8-21
WWW-Browser
World Wide Web
z Eine Seite besteht aus multimedialen Elementen, d.h. Text, Graphiken,
Bildern, Videoclips und sogenannten Links, die durch Anklicken mit der
Maus das Beschaffen einer weiteren Seite von irgendwoher auslšsen.
z Ein Link enthŠlt einen URL (Universal Resource Locator), der eine
weltweit eindeutige Adresse eines Hypertext-Dokuments darstellt.
z Beispiel:
http://www.uni-paderborn.de/cs/heiss.html
Name (Pfad) des Dokuments
Adresse des Rechners
hypertext transfer protocol
8-22
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
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z Rechner, auf denen Hypertext-Dokumente abgelegt sind, fungieren als Server,
d.h. sie stellen Funktionen zur VerfŸgung, die von anderen Rechnern, den
Clients, benutzt werden kšnnen.
Java Applets im WWW
z Der Client-Server-Betrieb mit (statischen) HTML-Dokumenten erlaubt nur
umstŠndlich einen Dialog mit dem Benutzer.
z Im Falle des WWW handelt es sich im wesentlichen um das ÒHerunterladenÓ
(downloading) von Dokumenten.
z Die Kommunikation zwischen einem WWW-Server und einem Client muss
nach den Regeln des HTTP-Protokolls erfolgen.
z Client-Software fŸr das WWW wird auch als Browser bezeichnet.
y Ein Browser muss HTTP Òsprechen und verstehenÓ kšnnen.
y Er muss au§erdem die Sprache HTML (hypertext mark-up language) interpretieren
kšnnen, in der die Hypertext-Dokumente beschrieben sind.
y Um auch die diversen Multimedia-Inhalte der Dokumente (Audio, Video) abspielen
zu kšnnen, muss er au§erdem die entsprechenden ProgrammzusŠtze (ÒPlug-InsÓ)
enthalten.
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
:
Server
:
z Es wŠre wŸnschenswert, Programme vom Server zum Client herunterzuladen, die auf der Client-Maschine Òvor OrtÓ ausgefŸhrt werden kšnnen, um
z.B. mit dem Benutzer einen Dialog zu fŸhren
z Java erlaubt dies unabhŠngig vom Prozessortyp und Betriebssystem des
Clients, weil nur maschinenunabhŠngiger ÒByte-CodeÓ verschickt wird, der von
einem Interpretierer als Teil des Browsers ausgefŸhrt werden kann.
z Dadurch kšnnen auch die AktivitŠten des Programms kontrolliert und beliebig
eingeschrŠnkt werden (Sicherheit)
:
8-23
Client
8-24
JavaLaufzeit- Client
system
Java-Applet (Byte-Code)
Server
Ergebnisse
Sicherheit im Internet
Angriffe auf Kommunikation
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
Da das Internet zunehmend fŸr kommerzielle Zwecke (Òelectronic commerceÓ)
eingesetzt wird, d.h. zum Kaufen und Verkaufen von Waren und
Dienstleistungen, besitzt die Sicherheit des Datenverkehrs einen hohen
Stellenwert:
y Vertraulichkeit (Confidentiality)
x Der Inhalt von Nachrichten soll nur dem Sender und dem EmpfŠnger zugŠnglich
sein
y AuthentizitŠt (Authentication)
x Benutzer und Systeme sollen ihre IdentitŠt/Echtheit beweisen
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
Unterbrechung (Interruption):
Die Kommunikation zwischen zwei legitimen Benutzern
der Kommunikationsverbindung wird unterbrochen
Abfangen, Mithören (Interception, Eavesdropping)
Die über eine Kommunikationsverbindung
übertragenen Nachrichten werden abgehört
y IntegritŠt (Integrity)
x Nachrichten oder Teile davon sollen in keiner Weise modifiziert werden kšnnen
y Beweisbarkeit stattgefundener Kommunikation (Nonrepudiation)
x Weder dem Sender noch dem EmpfŠnger soll es mšglich sein, eine
stattgefundene Kommunikation zu leugnen.
y Autorisierung und Zugriffskontrolle (Authorization and Access Control)
x Zugriff zu Betriebsmitteln im Verteilten System (einschlie§lich Zugang zu einem
Rechner Ÿber das Netz) bedarf der Autorisierung und unterliegt der Kontrolle
y VerfŸgbarkeit (Availability)
x Das Netz und seine Komponenten muss fŸr seine legitimen Benutzer verfŸgbar
sein
Modifikation (Modification)
Die Nachrichten werden verändert
• Inhaltsänderung
• Reihenfolgeänderung
• Verzögerung
Einspielen (Fabrication)
Eine Nachrichten werden erzeugt
und ins Netz eingespielt
8-25
Schutz gegen Angriffe
8-26
VerschlŸsselung
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
z Schutz gegen Unterbrechung
y Erfordert physischen Schutz der †bertragungseinrichtungen (Kabel, etc.)
y Schwierig zu realisieren
y Abhilfe durch Redundanz auf Schicht 1:
y Verwendung alternativer physischer †bertragungswege
z Schutz gegen Mithšren
y VerschlŸsselung (Encryption)
y Nachricht kann zwar abgehšrt werden, jedoch gibt sie ihren
Informationsgehalt nicht preis
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
z VerschlŸsselung zur Sicherung der Vertraulichkeit einer Nachricht wird
bereits seit zwei Jahrtausenden eingesetzt.
z Mit Hilfe einer VerschlŸsselungsfunktion V wird der Klartext M als
Zeichenkette in eine andere Zeichenkette V(M) transformiert.
z Der EmpfŠnger muss die Inverse von V als EntschlŸsselungsfunktion
E = V-1 kennen, um aus dem transformierten, also verschlŸsselten Text
V(M) den Klartext wiederherzustellen:
z
E(V(M)) = V-1(V(M)) = M
z Schutz gegen Modifikation
y Durch VerschlŸsselung und PrŸfsummen kšnnen Modifikationen entdeckt
werden.
y Verzšgerung als spezielle Variante der Modifikation kann durch
Zeitstempel erkannt werden.
Klartext M
V
Verschlüsselter Text
V(M)
Sender
Empfänger
z Schutz gegen Einspielen
y
Erfordert Authentisierung des Senders.
8-27
E
8-28
Klartext M
VerschlŸsselung
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
z Mit dem Aufkommen von Rechnern und deren Analysemšglichkeiten
sind jedoch die Anforderungen an kryptographische Verfahren extrem
gestiegen.
z Auch bei Einsatz von Hochleistungsrechnern soll es in akzeptabler Zeit
nicht mšglich sein:
y bei Kenntnis von V(M) die Nachricht M zu ermitteln
y bei Kenntnis einer codierten Nachricht V(M) und des Klartextes M die
VerschlŸsselungsfunktion V bzw ihre Inverse E zu ermitteln
z Untauglich sind daher z.B. alle Verfahren, die einzelne Zeichen oder
Buchstaben verschlŸsseln:
Symmetrische VerschlŸsselung
z Ein VerschlŸsselungsalgorithmus besteht in der Regel aus einer Familie von
VerschlŸsselungsfunktionen, aus denen durch Vorgabe eines speziellen
Parameters, des SchlŸssels (key), eine bestimmte ausgewŠhlt wird.
z Die Wahl des SchlŸssels sollte erheblichen Einfluss auf die Ausgabe der
Funktion VS besitzen.
z Der SchlŸssel S muss sowohl Sender wie auch EmpfŠnger bekannt sein.
z In der Praxis eingesetzte Verfahren sind so beschaffen, dass V und E bekannt
sein dŸrfen und lediglich der SchlŸssel S geheim gehalten werden muss.
(Beispiele: DES, IDEA)
z Er muss daher auf anderem Wege Sender und EmpfŠnger mitgeteilt werden
bzw. zwischen ihnen ausgetauscht werden.
S
y NatŸrlichsprachige Texte hinreichender LŠnge kšnnen durch
HŠufigkeitsanalyse der Buchstaben leicht entschlŸsselt werden.
z Das gleiche trifft auch auf Buchstabenpaare (Digramme) oder -tripel
(Trigramme) zu.
Klartext M
S
Verschlüsselter Text
VS(M)
V
Sender
8-30
Asymmetrische VerschlŸsselung
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
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z Hier wird das Problem des SchlŸsselaustauschs umgangen:
z Es werden zwei verschiedene SchlŸssel verwendet:
Public-Key-VerschlŸsselung
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
z basiert auf asymmetrischer VerschlŸsselung
y
C
Codierungsfunktion (diesselbe fŸr Ver- und EntschlŸsselung)
z jeder Teilnehmer A besitzt ein Paar von SchlŸsseln:
y
X,Y
SchlŸsselpaar (ein SchlŸssel fŸr VerschlŸsselung, der andere
fŸr EntschlŸsselung)
z …A
šffentlicher SchlŸssel
z GA
geheimer SchlŸssel
Es muss gelten
CY(CX((M)) = M
y
CX(CY((M)) = M
Liste öffentlicher Schlüssel
z Mindestens ein SchlŸssel X oder Y muss geheim sein
z (z.B. RSA-Verfahren, verwendet in dem Programmsystem PGP
(=pretty good privacy))
X
M
Y
CX(M)
C
Sender
8-31
Klartext M
E
Empfänger
8-29
y
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
C
Empfänger
M
ÖB
M
C
:
B
:
:
ÖB
:
C(ÖB,M)
Sender A
GB
C
Empfänger B
8-32
M
VerschlŸsselung zur Authentisierung
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
Digitale Unterschrift
Technische Informatik
Hans-Ulrich Hei§
UniversitŠt Paderborn
Konventionelle (symmetrische) VerschlŸsselung
y Haben A und B bereits einen SchlŸssel S ausgetauscht, so verbŸrgt die
erfolgreiche Decodierung einer mit S verschlŸsselten Nachricht die
AuthentizitŠt des Senders.
Digitale Unterschrift
Liste öffentlicher Schlüssel
:
A
:
:
ÖA
:
GA
Asymmetrische VerschlŸsselung (z.B. RSA)
ÖA
y Es wird mit dem šffentlichen SchlŸssel des EmpfŠngers codiert.
y Dies garantiert die Vertraulichkeit der Nachricht, aber weder ihre Echtheit
noch die des Senders.
y Um mit RSA die AuthentizitŠt zu gewŠhrleisten, geht man umgekehrt vor
und verschlŸsselt mit dem geheimen SchlŸssel des Senders. (Digitale
Unterschrift)
y Dies sichert die Echtheit des Senders (kein anderer besitzt den geheimen
SchlŸssel), sichert aber nicht die Vertraulichkeit der Nachricht (jeder kann
mit AÕs šffentlichem SchlŸssel die Nachricht lesen)
y Daher kann man zusŠtzlich mit BÕ šffentlichem SchlŸssel codieren, um
sowohl Vertraulichkeit, als auch AuthentizitŠt zu garantieren.
C
M
M
C
Empfänger B
Liste öffentlicher Schlüssel
Digitale Unterschrift
+ Vertraulichkeit
:
A
B
M
GA
Ö
C
C
8-34
:
ÖA
ÖB
G
B
Sender A
8-33
C(GA,M)
Sender A
C(ÖB,C(G A,M))
C
B
Ö
A
C
Empfänger B
M